據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2020年GPU行業(yè)規(guī)模為200億美元，預計2021年將增長15%。從2015年到2025年，GPU市場規(guī)模預計將從80億美元擴展到350億美元，年復合增長率達13%。
2015-2025年GPU市場規(guī)模趨勢（數(shù)據(jù)來源：AI芯天下）
從當前市場和技術趨勢發(fā)展來看，無論是近期大熱的元宇宙、云游戲，還是可視化、數(shù)據(jù)中心、智能汽車，以及桌面和移動終端等，都需要大量的高性能圖像處理和渲染能力，對GPU提出了巨大的需求。因此，近年來呈現(xiàn)出GPU市場增速迅猛，蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。
以當前火熱的元宇宙為例，作為虛擬世界和現(xiàn)實世界融合的載體，元宇宙中蘊含著游戲、社交、辦公、內(nèi)容等場景變革的巨大機遇，正在成為科技企業(yè)競相追逐的風口。元宇宙的誕生需要依賴多項底層技術的搭建與完善，最關鍵的部分在于其載體與內(nèi)容，需要多項復雜的技術。GPU作為打造元宇宙的“數(shù)字底座”，為元宇宙建立提供基礎設施的構建和協(xié)作，依托GPU的圖像處理技術繼續(xù)優(yōu)化，幫助渲染元宇宙世界，提升元宇宙的真實場景式體驗。
不難發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)行業(yè)持續(xù)更迭與新興市場的不斷崛起中，GPU作為底層技術的支撐角色，正在給眾多行業(yè)帶來更多的可能性。
硬件光線追蹤技術邁進移動端
在GPU市場發(fā)展如火如荼的今天，行業(yè)新老廠商紛紛入局，在追求產(chǎn)品性能與上市速度的賽道上卯足了火力。當中，GPU IP憑借技術密集度高、成本效益高、可重復利用等特點扮演著越來越重要的角色，越來越多的行業(yè)廠商借助成熟的IP提升芯片性能，降低設計難度和成本，加快產(chǎn)品上市時間。
在此行業(yè)趨勢和發(fā)展背景下，行業(yè)領先的半導體IP供應商——Imagination Technologies（下文簡稱：Imagination）近日在上海舉行了Imagination GPU新技術暨IP新產(chǎn)品發(fā)布會，圍繞其新產(chǎn)品和新技術，深度探討了在GPU技術創(chuàng)新與塑造新型產(chǎn)業(yè)格局的發(fā)展趨勢下，新一輪的突破和革新。
11月4日，Imagination推出了旗艦款GPU IP產(chǎn)品——IMG CXT，同時其PowerVR Photon光線追蹤架構也隨該IP首次亮相。通過增加Photon硬件光線追蹤功能，IMG CXT實現(xiàn)了GPU IP的又一次重大飛躍，能夠為包括游戲在內(nèi)的眾多圖形處理應用場景提供超高的性能保障。
據(jù)Imagination中國區(qū)戰(zhàn)略市場與生態(tài)副總時昕博士介紹：“Photon架構代表了十年來推動光線追蹤在低功耗設備上應用的發(fā)展成果，是目前業(yè)界最先進的光線追蹤架構，在視覺效果可能性方面，可以為移動和嵌入式應用帶來桌面級質(zhì)量的視覺效果，L4級別的GPU硬件光線追蹤解決方案相比L1級別軟件方案有百倍以上的性能功耗比提升，游戲玩家的體驗和電池續(xù)航時間將得到大幅度完善。目前該技術已對數(shù)個市場客戶進行了授權。”
光線追蹤技術被稱為計算機圖形領域中的“圣杯”，對于業(yè)內(nèi)從事相關產(chǎn)品設計或仿真工作的工程師而言并不陌生。在現(xiàn)實世界中，當光照射到物體表面時，光線會以各種方式反彈、分散和反射，直至最終到達我們的眼睛，正是這種復雜的交互作用創(chuàng)造了我們的現(xiàn)實“視界”。在傳統(tǒng)的圖形渲染（光柵化處理）中，光照貼圖和陰影貼圖是經(jīng)過預先計算好，然后應用到場景中以模擬場景外觀。而光線追蹤是一種渲染技術，可以精確地追蹤場景中光線的路徑，相比光柵化技術，它可以渲染出可信且具有更高真實感和保真度的反射、折射、陰影和光照效果。
可以簡單理解為，光線追蹤通過模擬真實世界中光線的表現(xiàn)，可以使圖形真實感達到躍升式變化，創(chuàng)造出與現(xiàn)實生活幾乎無異的3D場景。
追溯其發(fā)展歷程可見，Imagination在10年前開創(chuàng)了硬件加速光線追蹤技術之先河，然而由于其計算的復雜性，光線追蹤也只是應用在臺式機和游戲機上。而現(xiàn)在則通過全新的Photon架構將光線追蹤擴展至移動市場，移動開發(fā)者和游戲玩家現(xiàn)在也能夠利用這種渲染技術和全面的硬件加速功能。
在移動端，由于采用傳統(tǒng)的光柵化方法在智能手機游戲中“偽造”陰影和反射的成本變得非常高昂，比如在常見游戲引擎中，反射是使用級聯(lián)陰影貼圖生成的，這需要多次渲染屏幕中的幾何體，并將陰影貼圖查找表寫入存儲器中，所有這些操作都會消耗周期和帶寬，并產(chǎn)生大量的GPU和系統(tǒng)功耗。對此，Imagination在高效光線追蹤方面實現(xiàn)的創(chuàng)新將先進的3D圖形處理功能引入移動設備，為移動圖形處理行業(yè)創(chuàng)造了一種全新的能力，實現(xiàn)將逼真的圖形內(nèi)容帶入到移動設備中的愿景，進而推動智能手機的新變革。
時昕博士指出：“Photon架構的主要特點是RAC（光線加速集群），RAC包含了光線存儲（Ray Store）、光線任務調(diào)度器（Ray Task Scheduler）和相干性聚集器（Coherency Gatherer），并與兩個統(tǒng)一著色器集群（USC）緊密耦合，USC擁有高速專用數(shù)據(jù)通路，可以實現(xiàn)最高效且功耗最低的光線追蹤部署。”
RAC是一種新的低功耗專用硬件GPU組件，相比效率較低的光線追蹤架構，它可以加速和卸載更多來自著色器內(nèi)核的光線追蹤計算?？梢詾殚_發(fā)人員提供比市場上的現(xiàn)有解決方案更強大、更具一致性的光線追蹤性能，從而支持他們在渲染汽車、角色和地形等復雜表面時提供更優(yōu)質(zhì)的效果，并創(chuàng)建出更細致的環(huán)境。
IMG CXT-48-1536 RT3 內(nèi)核具有三個光線加速集群（RAC），可提供總體高達1.3 GRay/s的性能，即使在移動設備低功耗的情況下，也能以1080P分辨率實現(xiàn)高達60FPS的實時光線追蹤渲染，滿足日常游戲高端需求。
隨著光線追蹤技術在各種圖形處理應用中變得越來越重要，Imagination在2020年推出了一套光線追蹤等級系統(tǒng)（Ray Tracing Levels System），其中包括6個等級（Level 0-Level 5）。
0級：傳統(tǒng)解決方案
1級：傳統(tǒng)圖形處理器（GPU）軟件
2級：硬件中的光線/包圍盒和光線/三角形測試器
3級：硬件中的層次包圍盒（BVH）處理
4級：硬件中的BVH 處理和相干性分類
5級：硬件中使用場景層次生成（SHG）進行相干性BVH 處理
Imagination技術前瞻副總裁 Kristof Beets表示，該等級分類用以解釋不同光線追蹤解決方案所提供的卸載數(shù)量和質(zhì)量，有了這個系統(tǒng)，開發(fā)人員和OEM廠商就可以更清晰地了解現(xiàn)在和未來可用的光線追蹤加速解決方案的功能，以及各種光線追蹤實現(xiàn)方式之間的差異。
IMG CXT采用的Photon架構處于RTLS的4級（Level 4），是當前業(yè)內(nèi)可用的最先進的光線追蹤技術，為開發(fā)人員提供了一個專門用于加速光線追蹤的硬件組件，提升了光線追蹤的性能和效率，從而可為移動游戲玩家和開發(fā)者提供桌面級質(zhì)量的體驗。據(jù)透露，Imagination早在2016年就已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)Level 5級的光線追蹤技術，由于考慮到產(chǎn)業(yè)技術配套和市場平衡等方面原因，希望在一定的功耗預算下給移動用戶帶來更好的體驗，幾年來一直在優(yōu)化這個技術，本次Level 4的Photon架構率先亮相。
此外，在光柵化圖形處理性能方面，IMG CXT也向前邁出了重要一步，與上一代GPU IP相比，其計算、紋理和幾何性能都提高了50%。它的低功耗超標量（superscalar）架構可在低時鐘頻率下提供高性能，從而實現(xiàn)卓越的幀率功耗比（FPS/W）效率，同時 Imagination圖像壓縮（IMGIC）技術可以大幅降低帶寬需求。
另外我們還發(fā)現(xiàn)，Imagination的優(yōu)勢還體現(xiàn)在其多核GPU架構方面，例如在提供更高算力的同時保持成本可控，將芯片做得更小以提升良率等。值得注意的是，其多個GPU內(nèi)核既可以獨立工作，也可以部分甚至全部組合在一起工作，以高度的靈活性來應對各種需求不同的應用。
得益于Imagination的多核技術，Photon架構除了為移動設備和汽車等應用提供光線追蹤功能外，還可以擴展應用于云、數(shù)據(jù)中心、XR及桌面市場。這可以實現(xiàn)高達9 TFLOPS（每秒萬億次浮點運算）的FP32光柵化性能和超過7.8 GRay/s的光線追蹤性能，同時能夠提供比當今的RTLS 2/3級光線追蹤解決方案高2.5倍的功耗效率。
可以看到，處理效率的級進變化，實現(xiàn)了光線追蹤的更高功率、性能和帶寬效率，對于在要求較高持續(xù)游戲性能的移動端（且設備不會過熱，并且在合理的帶寬預算范圍內(nèi)）交付光線追蹤而言，具有十分重要的作用。而且，對于熱約束的PC和服務器/云端解決方案而言，同樣至關重要。
不斷押注中國市場
領先的技術水平自然會推動市場業(yè)績的快速增長。據(jù)了解，Imagination 2020年營收達到1.25億美元，同比增長44%。2021年上半年營收同比增長更是高達55%，達到7600萬美元。
對于公司之所以能夠取得如此強勢的增長，Imagination公司副總裁，中國區(qū)總經(jīng)理劉國軍表示，2021上半年，Imagination簽署了超過35項授權協(xié)議，涉及汽車、數(shù)據(jù)中心和桌面、移動及數(shù)字電視等領域。目前在智能手機GPU領域，Imagination擁有37%的市場份額，同時是汽車行業(yè)最大的GPU供應商，市場份額高達45%，使用Imagination GPU IP的汽車芯片出貨量已超過2.5億顆。
能夠看到，Imagination在移動和汽車等主要的戰(zhàn)略細分市場上實現(xiàn)了廣泛增長的同時，在數(shù)據(jù)中心和桌面等新晉領域，Imagination的高性能 A系列和 B系列 GPU產(chǎn)品已表現(xiàn)出了巨大的吸引力，并通過這些細分市場的客戶實現(xiàn)了顯著的收入增長。再結(jié)合本次IMG CXT的發(fā)布，Imagination在研發(fā)上不斷投入以保持快速的技術開發(fā)和產(chǎn)品上市步伐，持續(xù)的滿足和引領市場及客戶需求，也是其實現(xiàn)快速增長的重要原因。
強勁的業(yè)績表現(xiàn)背后，除了領先的技術水平和專注于正確的細分領域外，對中國市場的持續(xù)優(yōu)化和布局也是其取得快速增長的關鍵所在。Imagination中國區(qū)董事長白農(nóng)強調(diào)：“公司非常注重打造產(chǎn)業(yè)生態(tài)，在中國，Imagination除了和展銳、芯馳科技、賽昉等半導體企業(yè)合作外，還和騰訊（包括騰訊游戲和騰訊WeTest質(zhì)量團隊）、百度（百度飛槳PaddlePaddle）、完美世界游戲等平臺、應用廠商展開合作?！?/p>
此外，Imagination還和Linux基金會合作共同推動中國客戶實現(xiàn)桌面和數(shù)據(jù)中心應用；面對增長越來越快的算力需求，成立科學實驗室（IMG Labs），在架構、工藝和算力方面持續(xù)進行研究；與北京大學、浙江大學等知名高校在課程、教學資源和教師培訓方面進行支持與合作，實現(xiàn)了生態(tài)的進一步擴展和創(chuàng)新。
白農(nóng)表示，中國市場對Imagination整體的貢獻將會超過1/3，且業(yè)務增速更是在公司整體平均值之上。接下來，Imagination還將繼續(xù)加大在中國市場的投入和資源，從以銷售為主導轉(zhuǎn)向以市場為主導，積極主動去做市場布局，深入了解市場需求，與客戶建立更戰(zhàn)略性的合作關系。同時在產(chǎn)品路線圖規(guī)劃上，Imagination也會加大在業(yè)務和資源支持方面的創(chuàng)新和投入力度，繼續(xù)將重點放在上述領域，以及當前進行了產(chǎn)品授權的其他領域，如數(shù)字電視和可穿戴設備等。除了目前的GPU、AI和連接IP之外，還將推出新的IP，例如針對上述細分市場的RISC-V處理器。進一步滿足對結(jié)合GPU、CPU和AI處理器的異構解決方案的需求。
Imagination將持續(xù)重點關注中國市場的趨勢變化和行業(yè)走向，在不斷積累、優(yōu)化已有市場的布局之外，未來，Imagination很可能進入中國的其他新領域，如工業(yè)或醫(yī)療健康領域等，以技術創(chuàng)新和產(chǎn)品優(yōu)勢推動多行業(yè)不斷向前邁進。
寫在最后
與其他系列GPU產(chǎn)品規(guī)劃類似，IMG CXT GPU只是當前Imagination技術創(chuàng)新的一部分，接下來還會有更多令人期待的C系列產(chǎn)品推出，在產(chǎn)品迭代和技術演進的過程中尋找更廣闊的發(fā)展機遇。生態(tài)方面，Imagination還將不斷拓展，致力于打造從IP供應商到芯片廠商，再到平臺、終端設備和應用廠商聯(lián)系在一起的全產(chǎn)業(yè)生態(tài)。
在多年的行業(yè)經(jīng)驗與市場沉浮中，Imagination深諳以技術創(chuàng)新為核心驅(qū)動，持續(xù)完善生態(tài)布局，提升競爭實力，助力客戶實現(xiàn)GPU新格局。
